Металлы котельных агрегатов — сталь и чугун


сталь

Основными металлами, применяемыми для изготовления котельных агрегатов, являются сталь и чугун.

Сталь применяют как относительно дешевую — углеродистую, так и более дорогую — легированную, т. е. такую, в которую для улучшения механических и физико-химических свойств добавлены в некотором количестве другие металлы. Различают низколегированную сталь, в которой присадки содержатся в незначительном количестве, не превышающем 0,5-1,0 %, и высоколегированную, в которую добавляется значительно большее количество присадок. Низколегированная котельная сталь принадлежит к классу перлитной, а высоколегированная - к классу аустенитной стали.

Углеродистая сталь широко применяется в котлостроении. Содержание углерода в этой стали не должно превышать 0,3 % во избежание ухудшения качества сварных соединений из-за воздушной закалки при сварке. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,045 % для каждого из этих элементов. Предельная температура, при которой углеродистая сталь может длительно и надежно работать, составляет 500 °С; превышение ее приводит к резкой интенсификации окалинообразования на металле.

Легирование котельной стали имеет назначение повысить ее прочность и окалиностойкость при высокой температуре. В качестве легирующих присадок применяют хром, молибден, никель, ванадий, титан, вольфрам, ниобий, марганец и бор, которые вводятся в различных комбинациях. Хром вводят в сталь для повышения ее жаростойкости, т. е. способности противостоять коррозии (образованию окалины) при высокой температуре; наличие в стали 12—14 % хрома делает ее нержавеющей. Молибден добавляют для повышения жаропрочности, т. е. для повышения предела прочности и предела текучести стали при высокой температуре, а также для улучшения ее технологических свойств (свариваемости) и упрощения термической обработки. Никель повышает вязкость стали, ее жаропрочность и сопротивляемость старению. Для повышения сопротивляемости ползучести, т. е. снижения предела текучести стали в результате длительной работы ее при высокой температуре, к низколегированной хромомолибденовой стали добавляют ванадий и ниобий, а к высоколегированной стали — титан и вольфрам. Наличие марганца в стали в пределах 0,3-0,8 % определяется технологическими требованиями процесса выплавки, а повышение содержания марганца в стали до 0,9-1,5 % преследует цель повысить ее прочность. Легирующие элементы в марках стали обозначают буквами русского алфавита: Б — ниобий; В — вольфрам; Г — марганец М — молибден; Н — никель; Р — бор; С — кремний; Т — титан; Ф — ванадий; X — хром.

В обозначении марок высоколегированной стали за буквами ставят цифры, которые означают содержание этих элементов в стали в процентах. Цифры перед буквенным обозначением указывают содержание углерода в стали в сотых долях процента для низколегированной стали и десятых долях процента для высоколегированной стали. Если при этом в высоколегированной стали количество углерода не ограничено нижним пределом при верхнем пределе 0,09 % и выше, цифры перед буквенным обозначением не ставят.

Среди большого числа различных марок высоколегированной стали в котлостроении применяют только сталь жаропрочную, т. е. предназначенную для работы в нагруженном состоянии при высокой температуре в течение длительного времени и обладающую достаточной окалиностойкостью.

Для изготовления котлов применяют сталь в виде листов, труб, поковок, литья, крепежных материалов (для фланцевых соединений), электродов и сварочной проволоки. Качество стали, употребляемой для этих целей, точно регламентировано «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» Госгортехнадзора.

Характеристики марок стали, применяемых для изготовления барабанов и поковок для котлов, приведены в табл. 1, а для изготовления трубных систем и соединительных трубопроводов — в табл. 2.

Следует различать требования, предъявляемые к стали, применяемой для изготовления барабанов, и к стали для изготовления трубных систем поверхностей нагрева, коллекторов и соединительных трубопроводов. Выбор марки стали для изготовления барабанов котлов определяется стремлением получить барабан с возможно более тонкими стенками, т. е. более легкий, путем применения более прочной стали. Для трубных систем поверхностей нагрева, коллекторов и трубопроводов выбор марки стали определяется в первую очередь температурой, которую будет иметь стенка трубы во время работы котельного агрегата.

Для изготовления барабанов котлов по требованию «Правил» Госгортехнадзора применяют листовую сталь и поковки, полученные мартеновским способом или в электрических печах. Корпуса цилиндрических котлов, работающих при давлении до 9 aт, изготовляют из углеродистой стали марки Ст. 3 сп. Барабаны котлов с толщиной стенки до 60 мм изготовляют из углеродистой стали марок 15К и 20К. Для изготовления барабанов на давление 40—100 ат применяют сталь марки 22К с несколько повышенным содержанием марганца. Барабаны на давление от 100 ат и выше изготовляют из низколегированной стали марки 16ГНМ. Стали марок 16ГС, 09Г2С и 10Г2С1 являются относительно новыми сталями котлостроения.

Таблица 1

Класс
стали
Марка
стали
Содержание элементов в стали, % Временное
сопротивление,
кГ/мм²
Относительное
удлинение, не
менее, %
Область применения ГОСТ
Углерод C Кремний Si Марганец Mn Хром Cr Никель Ni Молибден Mo δ5 ε10 Наименование изделия Темпера­тура стен­ки, не бо­лее °С Давление
среды, не
более,
кГ/см²
Толщина
стенки, не
более, мм

Углеродистая
(перлитная)

Легированная
(перлитная)
В.Ст.3сп.

15К
20К
22К
22К
16ГС

09Г2С
10Г2С1
16ГНМ
0,14 - 0,22

0,12-0,20
0,16-0,24
0,19-0,26
0,18-0,26
0,12-0,18

0,12
0,12
0,12-0,18
0,12-0,30

0,15-0,30
0,15-0,30
0,20-0,40
0,17-0,37
0,40-0,70

0,50-0,80
0,90-0,20
0,17-0,37
0,40-0,65

0,35-0,65
0,35-0,65
0,75-1,00
0,70-0,90
0,90-1,20

1,30-1,70
1,30-1,65
0,80-1,10


<0,30
<0,30
<0,4
<0,30
<0,30

<0,30
<0,30
<0,3


<0,30
<0,30
<0,30
<0,25
<0,30

<0,30
<0,30
1,0-1,3










0,40 0,55
38

38
41
44
44

46
44
46
51
27

27
26
18
20

22
22
22
16
23

23
22



18
18
18
Барабаны, обечайки днища, затворы вертикально - цилиндрических котлов

То же для котлов среднего давления

Барабаны, обечайки днища затворы котлов давления до 100 ат


 
Барабаны, обечайки, днища, затворы
котлов высокого давления
200

450
 
450
450
 
 
450
8

Не ограничено
 
Не ограничено
 
 
 
Не ограничено
12

60
 
90
160
 
 
160
380 - 60, группа В

5520 - 62
 
ТУГКТП1 - 55
Технические условия
 
5520 - 62
Технические условия

 

Трубы для поверхностей нагрева, коллекторов и соединительных трубопроводов изготовляют из стали, выплавленной мартеновским способом или в электропечах. Трубные системы, в которых температура стенки не будет превышать 500 °С, изготовляют из углеродистой трубной стали марок 10 и 20. Трубные же системы, в которых температура стенки будет превышать 500 °С, изготовляют из легированной стали для предотвращения окалинообразования.

Следовательно, из сталей марок 10 и 20 можно изготовлять все поверхности нагрева как паровых, так и водогрейных котельных агрегатов на давление до 24 ат. При этом применение стали марки 10 нежелательно, так как она имеет значительно большую склонность к старению, чем сталь марки 20. Из стали марки 20 можно изготовлять также трубные системы экранов и водяных экономайзеров котельных агрегатов более высокого давления, так как температура стенок этих поверхностей нагрева в нормальной эксплуатации никогда не достигает 500 °С. Из легированной стали изготовляют трубные системы пароперегревателей, предназначенных для получения пара с температурой 440-450 °С и выше. В случаях, когда пароперегреватель выполняют двухступенчатым, из легированной стали изготовляют только змеевики второй ступени и выходной коллектор, так как через змеевики первой ступени проходит пар с более низкой температурой и омываются они дымовыми газами с менее высокой температурой. Даже при очень высокой конечной температуре пара температура стенок труб первой ступени пароперегревателя не превышает 500 °С. Для второй ступени пароперегревателей котлов с давлением 40 ат, предназначенных для перегрева пара до 440 °С, температура стенок которых может превышать 500 °С, применяют низколегированную хромомолибденовую сталь марки 12МХ.

Трубные системы топочных экранов и водяных экономайзеров, а также тех частей пароперегревателей, температура стенок которых не превышает 500 °С, у котельных агрегатов с давлением 100 ат и выше выполняют из стали марки 20, которую изготовляют по особым техническим условиям, предусматривающим более высокие требования. Части трубных систем пароперегревателей этих котлов с температурой стенок выше 500 °С выполняют из легированной стали. При этом для пароперегревателей, предназначенных для перегрева пара до 540 °С, когда температура стенок может доходить до 570-580 °С, рекомендуется сталь марки 12Х1МФ.

Пароперегреватели котельных агрегатов на давление 140 ат с перегревом пара до 570 °С изготовляют из стали марки 12Х2МФСР с несколько большим содержанием хрома, а также наличием бора. Кроме того, для таких пароперегревателей, а также для пароперегревателей на давление 255 ат, предназначенных для перегрева пара до 585 °С, у которых температура стенок труб превышает 600 °С, рекомендуется высоколегированная аустенитная сталь (см. табл. 2). Обычно выбирают сталь марки Х18Н12Т (1Х18Н12Т). Применяют также сталь марки 1Х1УН14В2М. Эта сталь, однако, имеет тот недостаток, что она склонна к межкристаллитной коррозии.

Воздухоподогреватели изготовляют из стали марки Ст. 3.

Литые детали, работающие под давлением, изготовляют из стали, выплавленной в мартеновских или электрических печах; при этом содержание серы и фосфора в углеродистой стали не должно превышать 0,05 % для каждого из этих элементов. В зависимости от температуры и давления применяют углеродистую сталь марок от 15Л до 35Л и легированную сталь марки 18МХ-Л. Соответствующие требования предъявляются также к металлу крепежных материалов (болты, шпильки, гайки), электродам и сварной проволоке.

Чугун для изготовления чугунных котлов для нагрева воды до 115 °С, согласно требованиям Госгортехнадзора по качеству должен быть не ниже марки СЧ 12-28 (ГОСТ 1412-54). Для поверхностей нагрева, коллекторов и камер чугунных ребристых водяных экономайзеров, устанавливаемых к котлам давлением до 24 ат, применяют чугун по качеству не ниже чугуна марки СЧ 12-28.

Таблица 2

Класс
стали
Марка
стали
Содержание элементов в стали, % в стали, % Временное соп­ротивление,
кГ/см²
Относительное
удлинение δ5, %
Температу­ра, °С Область применения труб ГОСТ
Углерод C Кремний Si Марганец Mn Хром Cr Никель Ni Титан Ti Вольфрам W Молибден Mo Ниобий Nb Ванадий V Бор B работы начала
окалинооб­разования
Наименование изделия Давление
среды, ат
Темпера­тура стенок, °С

Углеродистая
(перлитная)
10
20
20
0,07-0,14
0,17-0,24
0,17-0,25
0,17-0,37
0,17-0,37
0,17-0,37
0,35-0,65
0,35-0,65
0,35-0,65
≤0,15
≤0,25
≤0,3
≤0,25
≤0,25
≤0,3












34
41
41
24
22
24




Поверхности нагрева
Коллекторы и соединительные трубопроводы
Поверхности нагрева
Коллекторы и соединительные трубопроводы
60
60
Не ограничено
То же
500
400
500
450
1050-60
1050-60
Технические
условия

Легированная
(перлитная)
15ГС
12МХ
15ХМ
12Х1МФ
12Х2МФСР
15Х1М1Ф
0,12-0,18
0,09-0,16
0,11-0,16
0,08-0,15
0,08-0,15
0,10-0,16
0,70-1,00
0,15-0,30
0,17-0,37
0,17-0,37
0,4-0,7
0,4-0,7
0,90-1,30
0,4-0,7
0,4-0,7
0,4-0,7
0,4-0,7
0,4-0,7
<0,3
0,4-0,6
0,8-1,1
0,9-1,2
1,6-1,9
1,1-1,4
<0,3

<0,25
<0,25
<0,25
<0,25











0,4-0,6
0,4-0,55
0,25-0,35
0,5-0,7
0,90-1,10








0,18-0,30
0,20-0,35
0,20-0,35




0,002 - 0,005
50

45
45
48
50
28

21
21
21
18










Поверхности нагрева
Коллекторы и соединительные трубопроводы
Поверхности нагрева
Коллекторы и соединительные трубопроводы
Поверхности нагрева
Коллекторы и соединительные трубопроводы
Поверхности нагрева
Коллекторы и соединительные трубопроводы
»
»
»

»

»
»
500
450
550
550
585
570
585
575
То же
»
»
»
»
»
»
»

Высоколегированная
(аустенитная)
1Х11В2МФ
Х18Н12Т
1Х14Н14В2М (ЭИ - 257)
1Х14Н14Б (ЭИ - 694)
1Х14Н16БВ (ЭИ - 694Р)
1Х16Н15М3Б (ЭИ - 847)
1Х14Н18В2Б (ЭИ - 695)
1Х14Н18В2БР (ЭИ - 695Р)
0,10-0,15
≤0,12
0,4-0,5
0,07-0,12
0,07-0,12
≤0,9
0,08-0,12
0,07-0,12
≤0,5
≤0,8
≤0,8
≤0,6
≤0,6
≤0,8
≤0,6
≤0,6
0,50-0,80
1,0-2,0
≤0,7
1,0-2,0
1,0-2,0
≤0,6
1,0-2,0
1,0-2,0
10-12
17-19
13-15
13-15
13-15
15-17
13-15
13-15
<0,6
11-13
13-15
14-17
14-17
14-16
18-20
18-20

≤ (С - 0,02) × 5 - 0,7





1,7-2,2

2,0-2,75



2,0-2,75
2,0-2,75
0,6-0,9

0,25-0,40


2,5-3,0




0,9-1,3
0,9-1,3
0,9-1,3
0,9-1,3
0,9-1,3
0,15-0,30










0,005


0,005
60
54
50




18
30
16





600
600-650
650
650
650
700
700

800
850
850
850
850
850
850
Поверхности нагрева
Поверхности нагрева; Коллекторы и соединительные трубопроводы
Поверхности нагрева
ГОСТ 5632 - 61 рекомендуются
для изготовления пароперегре­вательных труб и соединитель­ных трубопроводов котлов вы­сокого и закритического дав­ления
»
»
»
630
640; 610
650
»
»
»